(57)【要約】【課題】  光素子モジュールおよびそれを用いた光送信器において、温度特性の良好な構造を提供する。【解決手段】  内部に半導体レーザ素子２が気密収納され、光結合系３、５によって前記半導体レーザ素子２からの光をファイバ５に結合する光素子モジュール１００において、半導体レーザ２がその出力について温度特性を有するとき、結合系３、５は２５℃においてレーザ素子２の温度特性を補正する量だけ、その光結合位置を光軸方向にずらす。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のトラッキンブ特性を有する半導体レーザと、前記半導体レーザからの光をファイバに集光するレンズと前記ファイバとからなる光結合系とからなる光素子モジュールであって、
前記光結合系の第２のトラッキング特性は前記半導体レーザの前記第１のトラッキング特性とは正負逆の傾きを有することを特徴とする光素子モジュール。
【請求項２】
半導体レーザと、前記半導体レーザからの光をファイバに集光するレンズと前記ファイバとからなる光結合系とからなる光素子モジュールであって、
前記光結合系のトラッキング特性は、総合トラッキング特性を低減するように調整されていることを特徴とする光素子モジュール。
【請求項３】
内部に半導体レーザ素子が気密収納され、光結合系によって前記半導体レーザからの光をファイバに結合する光素子モジュールであって、
前記半導体レーザは温度特性を有し、
前記結合系は２５℃において前記半導体レーザ素子の前記温度特性を補正する量だけ、その光結合位置を光軸方向にずらされていることを特徴とする光素子モジュール。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか一つに記載の光素子モジュールであって、
前記光結合系の光結合位置は、ファイバ表面から−０.５ｍｍないし−０.０５ｍｍの範囲または０.０５ｍｍないし０.５ｍｍの範囲にあることを特徴とする光素子モジュール。
【請求項５】
半導体レーザと、前記半導体レーザからの光をファイバに集光するレンズと前記ファイバとからなる光結合系とからなり、前記光結合系のトラッキング特性は、総合トラッキング特性を低減するように調整されている光素子モジュールと、  前記光素子モジュールに駆動信号を送信する増幅回路とを含む光送信器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光半導体素子を内部に収納する光素子モジュールおよびそれを用いた光送信器に係り、特に特性ばらつきを抑えた光素子モジュールおよび光送信器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光送信器は半導体レーザまたはフォトダイオードを利用して光を送信するものである。光送信器はその内部に、半導体レーザ素子を放熱用基板に搭載した光素子モジュールを組み込むことが一般的である。光素子モジュールは、半導体レーザ素子から出射された光をファイバに効率良く入射、結合させる必要がある。
【０００３】
特許文献１には、金属、絶縁体、又は金属と絶縁体の複合体からなる枠体と枠体に固定された第１の底板と、第１の底板に固定された金属からなる第２の底板を備えた光素子モジュールが記載されている。
【０００４】
一方、ＣＡＮ型半導体レーザモジュールでは、パッケージにガラス封止されたリード部により変調信号の授受を行なう。同軸型光素子モジュールは、小型で安価なモジュールが実現できる反面、冷却素子のパッケージ内の実装は困難となっている。これは一般的に用いられる同軸型ステムの内部容積が限られるため、部品配置および配線が複雑化できないことに起因する。そのため広温度範囲で動作可能な半導体レーザを用い、非冷却での実装および駆動方式を用いることが一般的に行なわれている。
特許文献２には、光半導体素子と配線基板をステム内に収容したＣＡＮ型光素子モジュールが開示されている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−７４３９５号公報
【特許文献２】特開２００４−４７８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように冷却型または非冷却型のモジュール提供にあたっては、近年コストダウンおよび小型化の要求がますます増えている。光結合系も１枚レンズ系が主流となりつつあり、外部温度変動に対して焦点位置変位がより顕著となることから、従来の２枚レンズ系に比してトラッキング特性（後方光出力を一定制御した時の前方光出力の温度偏差）が悪化する。これは、光モジュールの構造部材を、光素子を実装するステムまたはパッケージ部分では熱伝導性の良好な部材、コネクタを接続するホルダ部分には加工容易性、溶接性が良好な部材から選択することに起因する。即ち、１枚レンズでは、構造部材の熱膨張係数の差により、光出力の結合効率が直接的に変動し、トラッキング特性が悪化するからである。
本発明の目的は、トラッキング特性が良好な光素子モジュールおよび光送信器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の光素子モジュールは、第１のトラッキンブ特性を有する半導体レーザと、前記半導体レーザからの光をファイバに集光するレンズと前記ファイバとからなる光結合系とからなり、光結合系の第２のトラッキング特性は半導体レーザの第１のトラッキング特性とは正負逆の傾きを有する。
【０００８】
また、本発明の光素子モジュールは、半導体レーザと、前記半導体レーザからの光をファイバに集光するレンズと前記ファイバとからなる光結合系とからなり、光結合系のトラッキング特性は、総合トラッキング特性を低減するように調整されている。
【０００９】
さらに、本発明の光送信器は、半導体レーザと、前記半導体レーザからの光をファイバに集光するレンズとファイバとからなる光結合系とからなり、光結合系のトラッキング特性は、総合トラッキング特性を低減するように調整されている光素子モジュールと、少なくとも光素子モジュールに駆動信号を送信する増幅回路とを含む。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、トラッキング量特性に優れた光素子モジュールおよび光送信器を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について、実施例を用いて図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、煩雑を避けるために一部の部品や接着固定材料等の図示を適宜省略している。
（実施例１）
本発明の実施の形態である光素子モジュールについて、実施例１および実施例２を説明する。
まず、構造部材の熱膨張係数の差により、結合効率が変動し、トラッキング特性が悪化することを、図１および図２を用いて説明する。ここで、図１および図２はＣＡＮ型光素子モジュールの断面図である。
【００１２】
図１に示すＣＡＮ型光素子モジュール１００は、図示しないガラス封止材でステム１の孔部に固定された２本のリードピン８と、ステム１上の放熱用基板７を介して内部に半導体レーザ素子２が収納される。なお、放熱用基板７の裏側にもステム１が存在する。半導体レーザ素子２は、レンズ１０を搭載したレンズキャップ３により気密パッケージングされている。半導体レーザ素子２は、ＡｕＳｎはんだ（図示せず）放熱用基板７と接続され、電気的には、ワイヤボンディングまたはリボンボンディング（図示せず）にて、放熱用基板の電極（図示せず）とそれぞれ接続されている。レンズ１０から出射される光は、溶接で固定されるホルダ部材４により位置決めされたファイバスタブ５へ集光される。光出力はレセプタクルや光コネクタ付ファイバ（図示せず）を介し外部へ接続される。
【００１３】
半導体レーザ素子２を間接的に搭載するステム１の材料は、熱伝導性の向上や成形時の加工容易性等から鉄（線膨張係数α＝１２ｐｐｍ）を用いる。またレンズキャップ３の材料は、気密のための溶接性からＳＵＳ４３０（線膨張係数α＝１０．４ｐｐｍ）または５０Ａｌｌｏｙ（Ｆｅ-５０Ｎｉ）（線膨張係数α＝９．４ｐｐｍ）を用いる。またホルダ部材は、溶接性と内包される光アイソレータの磁界を妨げない非磁性材とする必要があり、ＳＵＳ３０４（膨張係数α＝１７ｐｐｍ）を用いる。
【００１４】
なお、半導体レーザ素子２と外部回路とを電気的に接続するためのリードピン８は、セラミック基板に施された配線パターンを用いて電気信号の授受を行なう場合もある。
【００１５】
図１は、半導体レーザ素子２からファイバスタブ５へ至る光結合系に着目して作成しているが、モニタ用フォトダイオード、光アイソレータ、サーミスタ等があってもよい。なお、光結合系はレンズとファイバスタブで構成するとも言える。
【００１６】
次に、構造部材の熱膨張が光学系に与える影響を説明する。まず、基準面Ａから半導体レーザ素子の出力面まで距離を、Ｌ１とする。基準面Ａからレンズ中心までの距離をＬ２、基準面Ａからファイバスタブ５のファイバ面までの距離をＬ３とする。当然、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３である。ステム１部材、レンズキャップ３部材、ホルダ４部材の熱膨張係数をそれぞれα１、α２、α３とした場合、α２Ｌ２＜α３Ｌ３となる。この結果、２５℃で図１に示すように集光ビーム６がファイバスタブ５先端を光結合するよう調整すると、高温域では、図２に示すように光結合位置が、ファイバスタブ５の手前となる。この結果、高温動作時の前方光出力が低下する。また、α１Ｌ１＜α２Ｌ２による光結合位置ずれから同様に高温動作時の前方光出力の低下が発生する。この温度特性は、モニタ用フォトダイオード等で後方光出力を受けた電流が一定になるＡＰＣ（Auto Power Control）制御時の前方光出力の温度特性として表され、トラッキング特性は下記のように定義される。
【００１７】
【数１】
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以上述べた構造部材長さと線膨張係数との差によるトラッキング特性の他にも、半導体レーザ素子２も、前方出力光と後方出力光との光出力比は、温度特性を持っている。即ち、数１に示したように後方光出力一定として制御するとき、レーザ素子そのものも、光出力比の温度特性に起因によるトラッキング特性を有する。これについて図３を用いて説明する。ここで、図３はレーザ素子単体のトラッキング特性を説明する図である。
【００１８】
図３において、横軸は光素子モジュールのケース温度（℃）、縦軸は後方光出力によるＡＰＣ制御を実施したときの、２５℃を基準温度とする前方光の出力変動量（ｄＢ）である。レーザ素子の前方光出力は、レーザ素子単体でも、０℃から８５℃で約１ｄＢ低下している。なお、図３に示す特性は、レーザ素子によっては、傾きが逆（０℃から８５℃で増加）になる場合もある。
【００１９】
図４ないし図７を用いて、構造材による結合系トラッキング特性と半導体レーザトラッキング特性とを組み合わせて、総合トラッキング特性を説明する。ここで、図４は、総合トラッキングを説明する図である。図５はｚ軸方向にファイバの固定位置をずらしたときの結合効率変化を説明する図である。図６は２５℃での光結合位置を説明する断面図である。
【００２０】
図４において、横軸は光素子モジュールのケース温度（℃）、縦軸は後方光出力のＡＰＣ制御を実施したときの、２５℃を基準温度とする前方光の出力変動量（ｄＢ）である。光素子トラッキングは図３の特性とまったく同じである。これに対して、結合系トラッキングを光素子トラッキングと逆の傾きを持たせれば、総合トラッキングは大幅に改善され、０℃から８５℃で０.３ｄＢ程度となる。このような結合系トラッキング特性を得る方法について、図５を用いて説明する。
【００２１】
図５において、横軸はファイバスタグ表面を光結合位置（ｚシフト：０）とする場合からのファイバのｚ軸方向のずれである。光結合位置を基準として結合効率は、両側で劣化する。しかし、逆に２５℃で意図的に光結合位置からｚ軸方向に−０.０５ｍｍだけずらして、結合効率を０.３ｄＢ悪くしておけば、高温域で結合効率が向上し、図４に示す結合系トラッキング特性を得ることができる。なお、光素子トラッキンブ特性の傾きの正負符号が逆の時には、結合系トラッキングのシフト量について正負符号を逆にすればよい。
【００２２】
図５に示す特性は、光学系の設計によってトレランスおよびデフォーカス量（別の理由で実施する意図的な光結合位置からのずらし）が大幅に変わる。その結果、光結合位置から−０.３ｄＢの結合効率を得るｚ軸方向シフト量は、−０．５ｍｍ〜＋０．５ｍｍ程度の値をとり得る。なお、ｚ軸方向シフト量はデフォーカス量を含んだ値である。したがって、２５℃から８５℃までの６０度の温度変化で、ｚ軸方向シフト量がゼロになるわけではない。
【００２３】
図６において、ファイバスタグ５の位置調整時には、まず半導体レーザを発振させて、ｘｙ平面内でファイバスタグ５動かして、出力光の出力最大点を探し、次にｚ軸方向に移動して、光結合位置を探す。これを２度繰り返して、２５℃の光結合位置から、０.０５ｍｍだけｚ軸マイナス方向に移動する。この状態で、ホルダ部材４aと４ｂとを溶接する。この製造方法によって、図４の総合トラッキング特性（温度差８５℃で変動量０.３ｄＢ）を得ることができる。なお、ｚ軸マイナス方向に０.０５ｍｍファイバスタグ５を移動する以外に、ｚ軸マイナス方向に０.３ｄＢ劣化するまで移動させても良い。
【００２４】
図６に示した構造の意図的に光結合位置からｚ軸マイナス方向にずらして固定されたファイバスタグを有する光素子モジュールを２００個製作し、２５℃で光結合位置に固定されたファイバスタグを有する同数の光素子モジュールと比較した。この結果を、図７を用いて説明する。ここで図７は、２００個の光モジュールの、０℃から８５℃での前方向出力変動量と、その変動量での累積百分率である。２５℃で光結合位置に固定されたファイバスタグを有する光素子モジュール（改善前）では、前方向出力変動量が±０.５ｄＢの範囲から、２０％が−０.５ｄＢ未満と外れている。これに対して、光結合位置からｚ軸マイナス方向にずらして固定されたファイバスタグを有する光素子モジュール（改善後）は、最小二乗法で求めた直線の傾きが改善前より立ち、２００個全ての光素子モジュールが前方向出力変動量±０.５ｄＢの範囲に入っていることが確認できた。
【００２５】
本実施例に拠れば、光素子トラッキングと逆の結合系トラッキング特性を得ることができ、その結果、トラッキング特性に優れた光素子モジュールを得ることができた。
（実施例２）
実施例１はＣＡＮ型光素子モジュールであったのに対し、実施例２はフラットパッケージ型光素子モジュールに適用したものである。図８を用いて、実施例２のパッケージ型光素子モジュールを説明する。ここで、図８はパッケージ型光素子モジュールの側面図である。なお、図示の簡便のため手前側の側面を省き、本来見える線分も一部省いた。
【００２６】
図８において、半導体レーザ素子２は放熱用基板７に搭載され、さらにステップ形状のステム１２に搭載される。ステム１２の下段には、レンズ搭載部１３に搭載されたレンズ１０を搭載する。ステム１２は平型のパッケージ１１の底面にはんだ接続される。半導体レーザ素子２が発生した熱は、放熱用基板７、ステム１２、パッケージ１１の底面を経由して、放熱される。端面に反射防止用斜め研磨を施されたファイバスタブ５は、ホルダ部材９に固定される。半導体レーザ素子を発振させながら、ホルダ部材９を調芯し、パッケージ１１の側面と溶接固定する（図示していないが、ｚ方向にも調整可能である）。
ここで、ホルダ部材９は、光結合位置をファイバスタブ５の内部に０.０５ｍｍずらして、固定する。
【００２７】
ステム１２は、熱膨張係数が半導体レーザ素子２のそれと近い窒化アルミ（α＝５ｐｐｍ）で形成する。また、パッケージ１１は、窒化アルミと熱膨張係数が近いＦｅＮｉＣｏ（コバール合金、α＝４.４ｐｐｍ）とした。一方、ホルダ部材９は、溶接性が良好なＳＵＳ３０４（α＝１７ｐｐｍ）を用いた。半導体レーザ素子２の前方出力端面から基準面Ｂであるレンズ１０の中心までの距離をＬ４とする。また、基準面Ｂからパッケージ１１の先端までの距離をＬ５とする。さらにパッケージ１１の先端からファイバスタブ５の中心先端点までの距離をＬ６とする。ステム部材、パッケージ部材、ホルダ部材の熱膨張係数をそれぞれα４、α５、α６とする。レンズ１０の中心を基準面（非移動面）と考えると、α４とα５とは近い値なので式を簡便化して、レンズ１０と半導体レーザとの間で結光結合位置変位を与える変位は、α４Ｌ４で与えられる。また、レンズの合焦位置の変位は、α５Ｌ５＋α６Ｌ６で与えられる。これらは、いずれも正符号なのでずれの方向は、実施例１と同様である。したがって、図３に示す光素子トラッキング特性を有する半導体レーザ２を用いる場合に、ホルダ部材９について光結合位置をファイバスタブ５の内部に０.０５ｍｍずらして固定することが有効である。
【００２８】
なお、半導体レーザ素子２の光素子トラッキングの傾きが、図３で右肩あがりなら、ホルダ部材９について光結合位置をファイバスタブ５の外部（図８で左側）に０.０５ｍｍずらして固定する。
【００２９】
本実施例に拠れば、光素子トラッキングと逆の結合系トラッキング特性を得ることができ、その結果、トラッキング特性に優れた光素子モジュールを得ることができた。
（実施例３）
本発明の他の実施形態である光送信器について、実施例３を用いて図９を参照して説明する。ここで、図９は光送受信機のブロック図である。
図９に示した光送受信器１０００は、実施例２で説明した送信用の光素子モジュール（レーザダイオードモジュール）２００と、受光素子モジュール（フォトダイオードモジュール）５００と、それらの周辺回路とで構成される。コネクタから入力された４本の伝送速度２．４Ｇｂｉｔ/ｓの電気信号は、信号多重回路（ＭＵＸ）４００で伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ｓの電気信号に多重化され、変調器として動作する光機能素子（図示せず）に変調信号を送出する駆動回路３００を経由して光素子モジュール２００に送られ、光ファイバ８１０へ伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ｓの光信号を送出する。
【００３０】
光ファイバ８２０から送られてきた伝送速度１０Ｇｂｉｔ/ｓの光信号は、受光素子モジュール５００で電気信号に変換され、増幅回路６００を経由して信号分離回路７００で、４本の伝送速度２．４Ｇｂｉｔ/ｓの電気信号に分離され、送出される。
【００３１】
本実施例の光送受信器では、トラッキング特性に優れた光素子光モジュール２００を用いたので、トラッキング特性に優れた光送受信器とすることができた。なお、光送受信器は、広義の光送信器でである。
【００３２】
本実施例に拠れば、トラッキング特性に優れた光素子モジュールを用いることで、トラッキング特性に優れた光送信器を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】２５℃のＣＡＮ型光素子モジュールの断面図である。
【図２】高温域のＣＡＮ型光素子モジュールの断面図である。
【図３】レーザ素子単体のトラッキング特性を説明する図である。
【図４】総合トラッキングを説明する図である。
【図５】ｚ軸方向にファイバの固定位置をずらしたときの結合効率変化を説明する図である。
【図６】２５℃での光結合位置を説明する断面図である。
【図７】２００個の光モジュールの、０℃から８５℃での前方向出力変動量と、その変動量での累積百分率である。
【図８】パッケージ型光素子モジュールの側面図である。
【図９】光送受信機のブロック図である。
【符号の説明】
【００３４】
１…ステム、２…半導体レーザ素子、３…レンズキャップ、４…ホルダ部材、５…ファイバスタブ、６…集光ビーム、７…放熱用基板、８…リードピン、９…ホルダ部材、１０…レンズ、１１…パッケージ、１２…ステム、１３…レンズ搭載部、１４…キャップ、１００…ＣＡＮ型光素子モジュール、２００…フラットパッケージ型光素子モジュール、３００…駆動回路、４００…信号多重回路、５００…フォトダイオードモジュール、６００…増幅回路、７００…信号分離回路、１０００…光送受信器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007025433.tif 000010
【図８】
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【図９】
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